基于弱相互作用的液晶傳感平臺(tái)：生物分子檢測的創(chuàng)新與應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、食品安全監(jiān)測以及環(huán)境檢測等眾多領(lǐng)域中，對生物分子的精準(zhǔn)檢測至關(guān)重要。生物分子如蛋白質(zhì)、核酸、酶等，它們的存在、濃度以及活性變化往往與生物過程、疾病發(fā)生發(fā)展、食品質(zhì)量安全和環(huán)境污染程度緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的生物分子檢測技術(shù)，像酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）以及質(zhì)譜分析等，雖在各自領(lǐng)域取得了顯著成果，但也存在一些局限性，如操作繁瑣、耗時(shí)較長、需要專業(yè)設(shè)備和專業(yè)人員操作、成本高昂等，難以滿足快速、實(shí)時(shí)、現(xiàn)場檢測的需求，在應(yīng)對突發(fā)公共衛(wèi)生事件、食品安全應(yīng)急檢測時(shí)顯得力不從心。液晶（LiquidCrystal，LC）作為一種獨(dú)特的物質(zhì)狀態(tài)，兼具液體的流動(dòng)性和晶體的光學(xué)各向異性，對環(huán)境微小變化極為敏感，如溫度、壓力、電場、磁場以及化學(xué)物質(zhì)等刺激都能引發(fā)液晶分子排列和光學(xué)性質(zhì)的改變?；谝壕У倪@些特性構(gòu)建的液晶傳感平臺(tái)，為生物分子檢測開辟了新路徑。液晶傳感平臺(tái)利用液晶分子與生物分子之間的相互作用，誘導(dǎo)液晶分子取向發(fā)生變化，進(jìn)而使液晶的光學(xué)信號(hào)（如顏色、亮度、偏振態(tài)等）產(chǎn)生改變，通過檢測這些光學(xué)信號(hào)變化，就能實(shí)現(xiàn)對生物分子的定性或定量分析。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，液晶傳感平臺(tái)具有簡單直觀、可視化程度高、響應(yīng)快速、成本低廉等優(yōu)勢，在生物分子檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，成為近年來生物傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在液晶傳感平臺(tái)中，弱相互作用起著舉足輕重的作用。弱相互作用包括氫鍵、離子相互作用、電荷轉(zhuǎn)移相互作用、疏水相互作用以及范德華力等。這些弱相互作用具有動(dòng)態(tài)可逆性，能對外部環(huán)境刺激做出獨(dú)特響應(yīng)，通過氫鍵的締合與解締合以及電荷轉(zhuǎn)移來改變自身結(jié)構(gòu)。利用弱相互作用構(gòu)筑液晶傳感平臺(tái)，能夠增強(qiáng)液晶與生物分子之間的特異性識(shí)別和相互作用，提升傳感平臺(tái)的靈敏度和選擇性。例如，通過設(shè)計(jì)特定的分子結(jié)構(gòu)，使液晶與生物分子之間形成互補(bǔ)的氫鍵或離子相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的精準(zhǔn)捕獲和檢測。同時(shí)，弱相互作用還能賦予液晶傳感平臺(tái)良好的生物相容性，減少對生物分子活性的影響，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，生物分子的活性保持至關(guān)重要，基于弱相互作用的液晶傳感平臺(tái)能夠在不破壞生物分子活性的前提下實(shí)現(xiàn)檢測，為疾病診斷和治療監(jiān)測提供更有價(jià)值的信息。本研究聚焦于基于弱相互作用構(gòu)筑的液晶傳感平臺(tái)用于檢測生物分子，旨在深入探究弱相互作用在液晶傳感中的作用機(jī)制，優(yōu)化液晶傳感平臺(tái)的性能，拓展其在生物分子檢測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。通過系統(tǒng)研究不同類型弱相互作用對液晶傳感性能的影響，構(gòu)建高性能的液晶傳感平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對多種生物分子的高靈敏度、高選擇性檢測，為生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、食品安全監(jiān)測和環(huán)境檢測等領(lǐng)域提供創(chuàng)新的檢測技術(shù)和方法，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀液晶傳感技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)末，1998年美國威斯康星-麥迪遜大學(xué)NicholasL.Abbott課題組率先將液晶應(yīng)用于生物傳感檢測，開啟了液晶生物傳感領(lǐng)域的研究篇章。此后，基于弱相互作用構(gòu)筑液晶傳感平臺(tái)檢測生物分子的研究在國內(nèi)外廣泛開展，眾多科研團(tuán)隊(duì)從不同角度深入探索，取得了一系列令人矚目的成果。在國外，眾多頂尖科研團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域持續(xù)深耕。美國的研究側(cè)重于利用液晶液滴構(gòu)建高性能傳感平臺(tái)，NicholasL.Abbott課題組在2009年報(bào)道了利用液晶液滴實(shí)現(xiàn)對不同類型細(xì)菌（革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌）和病毒（包膜和非包膜型）的檢測區(qū)分。當(dāng)裸液晶液滴與革蘭氏陰性細(xì)菌和包膜型病毒接觸后，其表面存在的兩親性磷脂會(huì)遷移并吸附到液晶液滴表面，導(dǎo)致液晶液滴發(fā)生由兩極取向至徑向取向的轉(zhuǎn)變；而與表面不含兩親性磷脂的革蘭氏陽性細(xì)菌和非包膜型病毒接觸后液晶液滴保持兩極取向，借此能夠靈敏地響應(yīng)出濃度低至10?pfumL?1的病毒。在后續(xù)研究中，他們又利用液晶液滴對大腸桿菌內(nèi)毒素進(jìn)行實(shí)時(shí)、高靈敏檢測，發(fā)現(xiàn)pg/mL級別的大腸桿菌內(nèi)毒素就能誘導(dǎo)液晶液滴由兩極缺陷至中心缺陷的轉(zhuǎn)變，這與大腸桿菌內(nèi)毒素主要成分磷脂A在液晶液滴表面的吸附密切相關(guān)。將液晶液滴傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，還實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)毒素不同細(xì)菌來源的分類及定量，極大拓展了液晶傳感在生物醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用范圍。歐洲的科研團(tuán)隊(duì)則在液晶與生物分子相互作用機(jī)制的理論研究方面成果顯著，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)計(jì)算等手段，深入探究弱相互作用在液晶傳感過程中的作用機(jī)制，為新型液晶傳感材料和體系的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)的研究也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)積極投身其中。清華大學(xué)楊忠強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在液晶液滴制備及其在生物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用方面開展了深入研究，發(fā)表了題為“液晶液滴制備及其在生物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用”的綜述文章。該綜述系統(tǒng)概述了近年來液晶液滴制備的研究進(jìn)展及其在生物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，同時(shí)介紹了液晶液滴復(fù)合材料，討論了液晶液滴生物傳感器目前遇到的瓶頸以及未來可能的研究方向。齊魯工業(yè)大學(xué)、山東省科學(xué)院的研究人員研發(fā)了基于磁珠上的酶聯(lián)雙功能核酸構(gòu)建液晶傳感器。他們首先開發(fā)了基于d-FNA修飾磁珠的Eli-LC傳感器，用于卡那霉素的高靈敏度和高特異性檢測。磁珠被KA適體、由AChE適體和KA適體的互補(bǔ)序列組成的d-FNA鏈以及AChE修飾。在KA存在的情況下，KA特異性識(shí)別KA適體并導(dǎo)致d-FNA鏈的釋放，同時(shí)，AChE釋放到水溶液中。磁珠清洗后與Myr一起孵育，隨后分離磁珠，將上清液添加到限制在銅網(wǎng)中的液晶表面，Myr在水和液晶的界面上形成自組裝單層，誘導(dǎo)了界面附近液晶分子的垂直取向，在偏光顯微鏡下觀察到黑暗的圖像；反之，則觀察到明亮的圖像。d-FNA鏈巧妙地在KA與AChE之間建立數(shù)量關(guān)系，該液晶傳感器通過簡單策略成功實(shí)現(xiàn)了低濃度KA的定量檢測，檢測范圍達(dá)到0.1-15ng/mL，檢出限48.1pg/mL。并且使用PDMS薄膜修飾的玻璃作為液晶的基底，提供了高疏水穩(wěn)定性，還自行組裝了便攜式偏光顯微鏡，以實(shí)現(xiàn)快速的現(xiàn)場檢測，為實(shí)際應(yīng)用中監(jiān)測各種分析物提供了一種設(shè)計(jì)簡單、成本低、可移植性高、靈敏度顯著、穩(wěn)定性優(yōu)異的通用方法。天津大學(xué)郝希晨等人提出了一種單基底的液晶生物光電傳感器，可用于快速檢測蛋白質(zhì)的濃度。該傳感器由制備叉指電極的單基底ITO玻璃和垂直定向的液晶層構(gòu)成，牛血清白蛋白（BSA）分子對液晶定向具有干擾作用，通過不同外加電場作用下偏光顯微鏡圖像的亮度變化可標(biāo)定BSA的濃度，實(shí)現(xiàn)傳感功能。通過在單ITO玻璃基底上光刻制備液晶池子陣列，還實(shí)現(xiàn)了基于單基底液晶傳感器進(jìn)行多通道、高通量蛋白質(zhì)濃度檢測的功能，其BSA檢測范圍為10?3-10??g/mL。盡管國內(nèi)外在基于弱相互作用構(gòu)筑液晶傳感平臺(tái)檢測生物分子方面已取得諸多成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。目前液晶傳感平臺(tái)的檢測靈敏度和選擇性有待進(jìn)一步提高，以滿足對痕量生物分子和復(fù)雜生物樣品中目標(biāo)生物分子的檢測需求；傳感器的穩(wěn)定性和重復(fù)性受環(huán)境因素影響較大，如溫度、濕度等，如何增強(qiáng)其抗干擾能力是亟待解決的問題；此外，液晶傳感平臺(tái)與生物分子之間的弱相互作用機(jī)制尚未完全明晰，限制了新型傳感體系的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容基于氫鍵作用的液晶傳感平臺(tái)構(gòu)建及其對生物分子的檢測研究：通過分子設(shè)計(jì)，合成含有特定氫鍵供體和受體的液晶材料，如在液晶分子中引入羥基、氨基等氫鍵供體以及羰基、氰基等氫鍵受體。利用自組裝技術(shù)，將這些液晶材料組裝成有序的液晶薄膜或液晶液滴，并在其表面修飾具有生物分子識(shí)別能力的探針分子，如抗體、核酸適配體等。以蛋白質(zhì)、核酸等生物分子為檢測目標(biāo)，研究基于氫鍵作用的液晶傳感平臺(tái)對生物分子的檢測性能。通過改變生物分子的濃度、種類，監(jiān)測液晶傳感平臺(tái)的光學(xué)信號(hào)變化，如顏色、亮度、偏振態(tài)等。深入探究氫鍵作用在液晶傳感過程中的作用機(jī)制，利用紅外光譜、核磁共振等技術(shù)，分析氫鍵的形成與斷裂過程，以及其對液晶分子排列和光學(xué)性質(zhì)的影響?；陔x子相互作用的液晶傳感平臺(tái)構(gòu)建及其對生物分子的檢測研究：選用帶有離子基團(tuán)的液晶材料，如陽離子型液晶（含有季銨鹽基團(tuán)等）或陰離子型液晶（含有磺酸基、羧基等），與帶相反電荷的生物分子（如蛋白質(zhì)、核酸等）通過靜電相互作用構(gòu)建液晶傳感平臺(tái)。在構(gòu)建過程中，精確控制離子強(qiáng)度、pH值等實(shí)驗(yàn)條件，以優(yōu)化離子相互作用的強(qiáng)度和特異性。通過改變生物分子的濃度、電荷性質(zhì)，研究基于離子相互作用的液晶傳感平臺(tái)的響應(yīng)特性，如液晶分子取向的變化、光學(xué)信號(hào)的改變等。利用表面電位測量、電泳等技術(shù)，深入研究離子相互作用的動(dòng)力學(xué)過程和熱力學(xué)參數(shù)，明確離子相互作用在液晶傳感中的作用機(jī)制。基于電荷轉(zhuǎn)移相互作用的液晶傳感平臺(tái)構(gòu)建及其對生物分子的檢測研究：設(shè)計(jì)并合成具有電荷轉(zhuǎn)移特性的液晶材料，如含有電子給體（如氨基、羥基等富電子基團(tuán)）和電子受體（如硝基、羰基等缺電子基團(tuán)）的液晶分子。通過選擇合適的生物分子作為電荷轉(zhuǎn)移對，與液晶材料構(gòu)建基于電荷轉(zhuǎn)移相互作用的液晶傳感平臺(tái)。利用光譜學(xué)技術(shù)（如紫外-可見吸收光譜、熒光光譜等）和電化學(xué)技術(shù)（如循環(huán)伏安法、交流阻抗譜等），研究電荷轉(zhuǎn)移相互作用的發(fā)生過程和電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。通過監(jiān)測電荷轉(zhuǎn)移過程中液晶分子的光學(xué)性質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)對生物分子的定性和定量檢測，探究電荷轉(zhuǎn)移相互作用對液晶傳感平臺(tái)靈敏度和選擇性的影響?；谑杷嗷プ饔玫囊壕鞲衅脚_(tái)構(gòu)建及其對生物分子的檢測研究：選用具有疏水基團(tuán)的液晶材料，如烷基鏈較長的液晶分子，構(gòu)建基于疏水相互作用的液晶傳感平臺(tái)。通過在液晶表面修飾具有疏水結(jié)合位點(diǎn)的分子，使其與含有疏水區(qū)域的生物分子（如某些蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等）發(fā)生疏水相互作用。在檢測過程中，調(diào)節(jié)溶液的離子強(qiáng)度、溫度等條件，研究這些因素對疏水相互作用以及液晶傳感性能的影響。利用原子力顯微鏡、熒光共振能量轉(zhuǎn)移等技術(shù)，深入研究疏水相互作用下液晶分子與生物分子之間的相互作用模式和界面結(jié)構(gòu)變化。多種弱相互作用協(xié)同增強(qiáng)的液晶傳感平臺(tái)構(gòu)建及其對生物分子的檢測研究：綜合考慮氫鍵、離子相互作用、電荷轉(zhuǎn)移相互作用和疏水相互作用等多種弱相互作用，設(shè)計(jì)合成具有多功能基團(tuán)的液晶材料，構(gòu)建多種弱相互作用協(xié)同作用的液晶傳感平臺(tái)。通過合理調(diào)控各種弱相互作用的強(qiáng)度和比例，優(yōu)化液晶傳感平臺(tái)的性能，提高其對生物分子的檢測靈敏度和選擇性。以復(fù)雜生物樣品（如血清、細(xì)胞裂解液等）中的生物分子為檢測對象，驗(yàn)證多種弱相互作用協(xié)同增強(qiáng)的液晶傳感平臺(tái)在實(shí)際樣品檢測中的可行性和有效性。利用多模態(tài)檢測技術(shù)（如光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測等），全面分析多種弱相互作用協(xié)同作用下液晶傳感平臺(tái)的響應(yīng)機(jī)制，為進(jìn)一步優(yōu)化傳感平臺(tái)提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法：利用溶液旋涂、熱蒸發(fā)、分子自組裝等技術(shù)制備液晶薄膜、液晶液滴等傳感平臺(tái)。在制備過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，如溫度、濕度、溶液濃度等，以確保制備的傳感平臺(tái)具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。采用偏光顯微鏡、熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡等光學(xué)顯微鏡，觀察液晶傳感平臺(tái)在生物分子作用下的光學(xué)信號(hào)變化，如顏色、亮度、圖案等。利用這些光學(xué)信號(hào)的變化，定性或定量分析生物分子的存在和濃度。運(yùn)用表面等離子體共振（SPR）、石英晶體微天平（QCM）、原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)，研究液晶與生物分子之間的相互作用過程和界面結(jié)構(gòu)變化。這些技術(shù)能夠提供分子水平的信息，有助于深入理解弱相互作用在液晶傳感中的作用機(jī)制。理論分析方法：運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）、蒙特卡羅模擬（MC）等方法，從分子層面模擬液晶與生物分子之間的弱相互作用過程。通過模擬，可以獲得分子的運(yùn)動(dòng)軌跡、相互作用能等信息，預(yù)測液晶分子的排列方式和光學(xué)性質(zhì)變化。利用量子化學(xué)計(jì)算（如密度泛函理論DFT），計(jì)算液晶與生物分子之間的電荷分布、軌道相互作用等，深入分析弱相互作用的本質(zhì)和作用機(jī)制。這些理論計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，幫助優(yōu)化液晶傳感平臺(tái)的設(shè)計(jì)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1液晶概述2.1.1液晶的定義與特性液晶是一種獨(dú)特的物質(zhì)狀態(tài)，它既不是傳統(tǒng)意義上的固態(tài)晶體，也不是普通的液體，而是介于二者之間的一種中間相態(tài)，又被稱為介晶相。當(dāng)某些物質(zhì)處于熔融狀態(tài)或者被溶劑溶解之后，盡管失去了固態(tài)物質(zhì)所具有的剛性，卻獲得了液體所特有的易流動(dòng)性，同時(shí)還保留著部分晶態(tài)物質(zhì)分子的各向異性有序排列，從而形成了這種兼有晶體和液體部分性質(zhì)的液晶態(tài)。從分子層面來看，液晶分子通常具有特殊的形狀，如棒狀、盤狀等，且分子間存在著特定的相互作用，使得它們在一定條件下能夠形成有序的排列方式。液晶具有一系列獨(dú)特的特性，這些特性使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。首先是流動(dòng)性，液晶能夠像普通液體一樣流動(dòng)，這一特性賦予了它在一些需要液體流動(dòng)的應(yīng)用場景中的可行性，如在液晶顯示器中，液晶分子的流動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)和圖像切換。其次是取向有序性，雖然液晶分子的重心排列具有一定的無序性，類似于液體，但分子長軸方向卻能呈現(xiàn)出一定程度的有序排列，這種取向有序性是液晶區(qū)別于普通液體的關(guān)鍵特征之一。以向列相液晶為例，其棒狀分子之間相互平行排列，盡管分子的重心位置是無序的，但長軸方向的有序排列使得向列相液晶具有獨(dú)特的物理性質(zhì)。最后是光學(xué)各向異性，這是液晶最為重要的特性之一。由于液晶分子的取向有序性，使得其在不同方向上對光的折射率等光學(xué)性質(zhì)存在差異。當(dāng)一束偏振光通過液晶時(shí)，會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，即光被分解為尋常光和非常光，它們沿著不同的方向傳播，并且具有不同的折射率。這種光學(xué)各向異性使得液晶在顯示技術(shù)、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如液晶顯示器正是利用了液晶分子在電場作用下的取向變化來控制光的透過和阻擋，從而實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。2.1.2液晶的分類根據(jù)液晶分子的排列方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將液晶分為多種類型，其中向列相、膽甾相和近晶相是最為常見的液晶相。向列相液晶是結(jié)構(gòu)較為簡單的一種液晶相。在向列相中，棒狀的液晶分子之間僅相互平行排列，然而它們的重心排列呈現(xiàn)無序狀態(tài)。這種排列方式使得向列相液晶在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生流動(dòng)，并且分子之間能夠相互穿越，具有較大的流動(dòng)性。在流動(dòng)過程中，向列相液晶分子很容易沿著流動(dòng)方向取向，這一特性使其對外界作用非常敏感。向列相液晶具有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，在液晶顯示器件中被廣泛應(yīng)用，是液晶顯示技術(shù)的主要材料。常見的向列相液晶材料如4-正戊基-4’-氰基聯(lián)苯（5CB），其分子結(jié)構(gòu)中的剛性聯(lián)苯單元和柔性的烷基鏈以及極性的氰基，共同決定了它的向列相液晶特性。膽甾相液晶的分子排列具有獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)。其分子呈扁平層狀排列，分子長軸平行于層平面，在層內(nèi)各分子長軸互相平行。相鄰兩層內(nèi)的分子長軸方向存在微小的扭轉(zhuǎn)角，各層分子指向矢沿著層的法線方向連續(xù)均勻旋轉(zhuǎn)，從而使液晶整體結(jié)構(gòu)形成螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋扭轉(zhuǎn)360°的兩個(gè)層面之間的距離被稱為螺距，通常螺距的數(shù)量級為102nm。這種特殊的螺旋狀結(jié)構(gòu)賦予了膽甾相液晶明顯的旋光性、圓偏振光二向色性以及選擇性光散射等特殊光學(xué)性質(zhì)。由于這些獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，膽甾相液晶常被用作控制液晶分子排列的添加劑，或者直接用于制備變色液晶膜。例如，在一些溫度傳感器中，利用膽甾相液晶的顏色隨溫度變化的特性，通過觀察液晶顏色的改變來實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測。近晶相液晶分子同樣呈棒狀，它們排列成層狀結(jié)構(gòu)，每層分子的長軸方向一致，但分子長軸與層面呈一定角度。層的厚度大約等于分子的長度，并且各層之間的距離可以變動(dòng)。在近晶相中，分子層內(nèi)分子之間的結(jié)合力較強(qiáng)，而層與層間的結(jié)合力相對較弱。這使得近晶相液晶雖然具有流動(dòng)性，但其粘度比向列相液晶大。近晶相液晶具有正性雙折射性，在某些顯示應(yīng)用中，其顯示特性比向列相液晶顯示器件更為優(yōu)越。例如，在一些對顯示對比度和視角要求較高的特殊顯示場景中，近晶相液晶有可能展現(xiàn)出更好的性能。2.2弱相互作用理論2.2.1弱相互作用的類型弱相互作用是分子間普遍存在的一類相互作用力，其能量遠(yuǎn)小于化學(xué)鍵，通常在幾到幾十kJ/mol。常見的弱相互作用包括氫鍵、靜電作用、主客體作用、疏水作用等，它們在分子識(shí)別、自組裝以及材料性能調(diào)控等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。氫鍵是一種特殊的弱相互作用，它是由一個(gè)電負(fù)性較大的原子（如氮、氧、氟等）與另一個(gè)分子中氫原子之間形成的相互吸引作用。以水分子為例，水分子中的氧原子電負(fù)性較大，使得氫原子帶有部分正電荷，相鄰水分子中的氧原子則帶有部分負(fù)電荷，這樣一個(gè)水分子中的氫原子就會(huì)與另一個(gè)水分子中的氧原子之間形成氫鍵。氫鍵具有方向性和飽和性，方向性是指氫鍵的形成需要?dú)湓优c電負(fù)性原子在一定的方向上相互靠近，飽和性則是指一個(gè)氫原子只能與一個(gè)電負(fù)性原子形成氫鍵。氫鍵的鍵能一般在5-30kJ/mol，雖然相對較小，但對物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。在生物分子中，氫鍵對維持生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能起著至關(guān)重要的作用。DNA分子中的堿基對之間就是通過氫鍵相互配對，A（腺嘌呤）與T（胸腺嘧啶）之間形成兩個(gè)氫鍵，G（鳥嘌呤）與C（胞嘧啶）之間形成三個(gè)氫鍵。這些氫鍵的存在使得DNA分子能夠形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，保證了遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞。靜電作用是指分子或離子之間由于電荷的相互作用而產(chǎn)生的吸引力或排斥力。當(dāng)兩個(gè)帶有相反電荷的離子或分子靠近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電吸引力；而當(dāng)兩個(gè)帶有相同電荷的離子或分子靠近時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生靜電排斥力。靜電作用的強(qiáng)度與電荷的大小、離子或分子之間的距離以及介質(zhì)的介電常數(shù)等因素有關(guān)。在生物體系中，靜電作用廣泛存在于蛋白質(zhì)、核酸等生物分子中。蛋白質(zhì)分子表面通常帶有一定數(shù)量的電荷，這些電荷之間的靜電相互作用影響著蛋白質(zhì)的折疊、構(gòu)象以及與其他分子的相互作用。在蛋白質(zhì)與配體的結(jié)合過程中，靜電作用常常起著重要的識(shí)別和結(jié)合作用。例如，某些酶與底物之間的相互作用就依賴于靜電作用，酶分子表面的帶電基團(tuán)與底物分子上的相反電荷基團(tuán)相互吸引，使得酶能夠特異性地結(jié)合底物并催化反應(yīng)的進(jìn)行。主客體作用是超分子化學(xué)中的一個(gè)重要概念，它是指主體分子（如冠醚、環(huán)糊精等）與客體分子（如離子、小分子等）之間通過非共價(jià)鍵相互作用形成主客體復(fù)合物的過程。主客體作用具有高度的選擇性和特異性，主體分子能夠通過分子識(shí)別作用選擇性地結(jié)合特定的客體分子。環(huán)糊精是一種由多個(gè)葡萄糖單元組成的環(huán)狀分子，其內(nèi)部具有一個(gè)疏水的空腔，能夠容納大小和形狀合適的客體分子。當(dāng)客體分子進(jìn)入環(huán)糊精的空腔時(shí)，會(huì)與環(huán)糊精分子之間形成范德華力、氫鍵等弱相互作用，從而形成穩(wěn)定的主客體復(fù)合物。主客體作用在藥物輸送、分子識(shí)別、催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在藥物輸送中，可以利用環(huán)糊精與藥物分子形成主客體復(fù)合物，提高藥物的溶解度、穩(wěn)定性和生物利用度。疏水作用是指非極性分子或基團(tuán)在水溶液中相互聚集的趨勢，其本質(zhì)是為了減少非極性分子與水分子之間的接觸面積，從而降低體系的自由能。在水溶液中，水分子之間通過氫鍵形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)非極性分子進(jìn)入水中時(shí)，會(huì)破壞水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使得水分子在非極性分子周圍形成更加有序的籠狀結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致體系的熵減小，自由能增加。為了降低自由能，非極性分子會(huì)相互聚集在一起，將與水分子的接觸面積減小到最小。疏水作用在生物膜的形成、蛋白質(zhì)的折疊等過程中起著關(guān)鍵作用。生物膜是由磷脂雙分子層構(gòu)成的，磷脂分子的疏水尾部相互聚集在膜的內(nèi)部，而親水頭部則朝向水相，這種結(jié)構(gòu)的形成就是疏水作用的結(jié)果。在蛋白質(zhì)折疊過程中，疏水氨基酸殘基會(huì)聚集在蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部，形成疏水核心，從而使蛋白質(zhì)獲得穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)。2.2.2弱相互作用在材料科學(xué)中的應(yīng)用在材料科學(xué)領(lǐng)域，弱相互作用發(fā)揮著不可或缺的重要作用，其在材料自組裝、性能調(diào)控等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的價(jià)值，推動(dòng)了新型材料的研發(fā)和應(yīng)用。在材料自組裝方面，弱相互作用為構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的材料提供了有效途徑。以超分子自組裝為例，通過氫鍵、靜電作用、主客體作用以及疏水作用等弱相互作用，分子能夠自發(fā)地組裝成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特定功能的超分子體系。利用DNA分子之間的堿基互補(bǔ)配對形成的氫鍵作用，可以精確地設(shè)計(jì)和構(gòu)建各種DNA納米結(jié)構(gòu)?？蒲腥藛T通過合理設(shè)計(jì)DNA序列，使不同的DNA單鏈在溶液中通過堿基互補(bǔ)配對形成雙鏈，進(jìn)而自組裝成二維或三維的納米結(jié)構(gòu)，如DNA納米管、DNA納米籠等。這些DNA納米結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，可用于藥物輸送、生物傳感器的構(gòu)建等。在制備有序介孔材料時(shí)，疏水作用和靜電作用起著關(guān)鍵作用。表面活性劑分子在水溶液中會(huì)形成膠束，膠束中的疏水基團(tuán)相互聚集，親水基團(tuán)則朝向水相。當(dāng)加入無機(jī)前驅(qū)體時(shí)，無機(jī)前驅(qū)體與表面活性劑膠束之間通過靜電作用相互結(jié)合，在一定條件下進(jìn)行水解和縮聚反應(yīng)，形成無機(jī)骨架。隨后通過去除表面活性劑，即可得到具有有序介孔結(jié)構(gòu)的材料。這種有序介孔材料具有高比表面積、孔徑可控等優(yōu)點(diǎn)，在催化、吸附、分離等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。弱相互作用在材料性能調(diào)控方面也具有重要意義。在高分子材料中，通過引入氫鍵、離子相互作用等弱相互作用，可以顯著改善材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和溶解性等。在一些聚合物中引入氫鍵，可以增強(qiáng)分子鏈之間的相互作用力，提高材料的拉伸強(qiáng)度和硬度。聚酰胺（尼龍）分子鏈中含有大量的酰胺基團(tuán)，這些酰胺基團(tuán)之間可以形成氫鍵，使得尼龍材料具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。在液晶材料中，弱相互作用對液晶分子的排列和取向起著關(guān)鍵作用，從而影響液晶材料的光學(xué)性能。通過調(diào)節(jié)液晶分子之間的弱相互作用，可以實(shí)現(xiàn)對液晶相轉(zhuǎn)變溫度、響應(yīng)速度等性能的調(diào)控。在向列相液晶中加入手性添加劑，手性添加劑與液晶分子之間通過弱相互作用形成螺旋結(jié)構(gòu)，從而改變液晶的光學(xué)性質(zhì)，使其具有圓偏振光二向色性等特殊光學(xué)性能，可應(yīng)用于光學(xué)顯示和傳感領(lǐng)域。在智能材料中，弱相互作用賦予材料對外界刺激的響應(yīng)性。一些基于主客體作用的智能材料，能夠在外界刺激（如溫度、pH值、光等）下發(fā)生主客體復(fù)合物的形成或解離，從而導(dǎo)致材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化。含有環(huán)糊精和偶氮苯客體分子的材料，在光照條件下，偶氮苯分子發(fā)生順反異構(gòu)化，導(dǎo)致其與環(huán)糊精之間的主客體作用發(fā)生改變，進(jìn)而引起材料的顏色、形狀等物理性質(zhì)的變化，可用于制備光響應(yīng)的智能材料。2.3液晶傳感平臺(tái)檢測生物分子的原理2.3.1液晶分子取向變化與信號(hào)轉(zhuǎn)換液晶傳感平臺(tái)檢測生物分子的核心在于液晶分子對生物分子的特異性響應(yīng)，這種響應(yīng)主要通過液晶分子與生物分子之間的弱相互作用來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)生物分子與液晶傳感平臺(tái)接觸時(shí)，它們之間會(huì)發(fā)生特異性的識(shí)別和結(jié)合，而這種結(jié)合過程正是基于各種弱相互作用，如氫鍵、離子相互作用、電荷轉(zhuǎn)移相互作用以及疏水相互作用等。以氫鍵作用為例，若生物分子表面存在能與液晶分子形成氫鍵的基團(tuán)，當(dāng)兩者靠近時(shí)，就會(huì)通過氫鍵相互作用結(jié)合在一起。在蛋白質(zhì)檢測中，蛋白質(zhì)分子中的氨基和羧基等基團(tuán)能與液晶分子中含有的羥基、羰基等形成氫鍵。這種結(jié)合會(huì)打破液晶分子原本的有序排列狀態(tài)，導(dǎo)致液晶分子取向發(fā)生改變。因?yàn)橐壕Х肿又g的相互作用原本維持著一種相對穩(wěn)定的排列方式，而生物分子的介入通過氫鍵作用干擾了這種平衡，使得液晶分子不得不調(diào)整自身的取向以適應(yīng)新的相互作用。離子相互作用也是類似的原理。當(dāng)帶電荷的生物分子（如核酸分子，其磷酸骨架帶有負(fù)電荷）與帶有相反電荷的液晶分子靠近時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生靜電吸引作用。這種靜電相互作用會(huì)使生物分子吸附到液晶分子表面，進(jìn)而改變液晶分子的電荷分布和相互作用。由于液晶分子的排列與電荷分布密切相關(guān)，電荷分布的改變就會(huì)導(dǎo)致液晶分子取向的改變。在檢測DNA分子時(shí)，DNA分子的負(fù)電荷會(huì)與陽離子型液晶分子發(fā)生靜電相互作用，使得液晶分子圍繞DNA分子重新排列，從而改變了原本的取向。電荷轉(zhuǎn)移相互作用則是基于電子的轉(zhuǎn)移。當(dāng)具有電子給體-受體對的液晶分子與生物分子接觸時(shí)，如果生物分子具有合適的電子云結(jié)構(gòu)，就可能與液晶分子之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)改變液晶分子的電子云分布，進(jìn)而影響分子間的相互作用。在檢測某些具有氧化還原活性的生物分子（如細(xì)胞色素c）時(shí)，細(xì)胞色素c可以與含有電子給體或受體基團(tuán)的液晶分子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使液晶分子的能級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致分子取向的改變。疏水相互作用在檢測含有疏水區(qū)域的生物分子時(shí)發(fā)揮作用。當(dāng)液晶傳感平臺(tái)與這類生物分子接觸時(shí)，生物分子的疏水區(qū)域會(huì)與液晶分子的疏水基團(tuán)相互吸引，使得生物分子傾向于與液晶分子結(jié)合。在檢測某些蛋白質(zhì)時(shí)，蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水氨基酸殘基會(huì)與液晶分子的疏水鏈段相互作用，這種作用會(huì)導(dǎo)致液晶分子在生物分子周圍重新排列，改變了液晶分子原本的取向。液晶分子取向的改變會(huì)進(jìn)一步引起液晶光學(xué)性質(zhì)的變化，這是實(shí)現(xiàn)生物分子檢測的關(guān)鍵。液晶具有光學(xué)各向異性，不同取向的液晶分子對光的折射率、偏振特性等存在差異。當(dāng)液晶分子取向發(fā)生改變時(shí)，其對光的調(diào)制作用也會(huì)相應(yīng)改變。在偏光顯微鏡下，原本處于某種取向的液晶分子會(huì)呈現(xiàn)出特定的顏色和亮度。當(dāng)生物分子與液晶分子相互作用導(dǎo)致液晶分子取向改變后，通過偏光顯微鏡觀察到的液晶顏色和亮度就會(huì)發(fā)生變化。這種光學(xué)信號(hào)的變化可以直觀地反映生物分子的存在和濃度等信息。利用圖像處理技術(shù)對偏光顯微鏡下的圖像進(jìn)行分析，可以定量地確定生物分子的濃度。通過測量圖像的亮度值或顏色變化的程度，建立與生物分子濃度的校準(zhǔn)曲線，從而實(shí)現(xiàn)對生物分子的定量檢測。2.3.2影響檢測性能的因素弱相互作用強(qiáng)度對液晶傳感平臺(tái)的檢測性能有著至關(guān)重要的影響。弱相互作用強(qiáng)度過弱，生物分子與液晶分子之間的結(jié)合不穩(wěn)定，容易受到外界干擾，導(dǎo)致檢測信號(hào)不穩(wěn)定，靈敏度降低。在基于氫鍵作用的檢測體系中，如果氫鍵的鍵能過小，生物分子與液晶分子之間的氫鍵容易斷裂，使得生物分子從液晶分子表面脫離，從而無法產(chǎn)生穩(wěn)定的檢測信號(hào)。相反，若弱相互作用強(qiáng)度過強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致生物分子與液晶分子過度結(jié)合，使液晶分子的取向變化過于劇烈，超出檢測范圍，同樣不利于檢測。在基于離子相互作用的檢測中，如果離子相互作用過強(qiáng)，生物分子與液晶分子可能會(huì)形成緊密的聚集體，阻礙了液晶分子的進(jìn)一步取向調(diào)整，影響檢測的準(zhǔn)確性。因此，優(yōu)化弱相互作用強(qiáng)度是提高液晶傳感平臺(tái)檢測性能的關(guān)鍵。可以通過調(diào)節(jié)溶液的pH值、離子強(qiáng)度等條件來優(yōu)化弱相互作用強(qiáng)度。在基于靜電相互作用的檢測體系中，改變?nèi)芤旱膒H值可以調(diào)節(jié)生物分子和液晶分子表面的電荷狀態(tài)，從而改變它們之間的靜電相互作用強(qiáng)度。液晶材料性質(zhì)也顯著影響著檢測性能。不同類型的液晶材料，如向列相、膽甾相和近晶相液晶，由于其分子排列方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的差異，對生物分子的響應(yīng)特性各不相同。向列相液晶分子排列相對簡單，流動(dòng)性較大，對生物分子的響應(yīng)速度較快，但穩(wěn)定性可能相對較差。膽甾相液晶具有獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)，其光學(xué)性質(zhì)對生物分子的作用更為敏感，可用于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測。在檢測病毒時(shí)，膽甾相液晶對病毒表面的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化能夠產(chǎn)生明顯的光學(xué)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對病毒的高靈敏檢測。近晶相液晶分子排列較為緊密，具有較高的穩(wěn)定性，但響應(yīng)速度相對較慢。此外，液晶分子的尺寸、形狀以及官能團(tuán)等因素也會(huì)影響其與生物分子的相互作用。液晶分子的尺寸與生物分子匹配度越高，越有利于兩者之間的相互作用，從而提高檢測靈敏度。如果液晶分子的尺寸過大或過小，都可能影響其與生物分子的結(jié)合效率，進(jìn)而影響檢測性能。生物分子濃度是影響檢測性能的另一個(gè)重要因素。在一定濃度范圍內(nèi)，隨著生物分子濃度的增加，與液晶分子發(fā)生相互作用的生物分子數(shù)量增多，液晶分子取向改變的程度也隨之增大，檢測信號(hào)增強(qiáng)，檢測靈敏度提高。當(dāng)檢測蛋白質(zhì)時(shí)，隨著蛋白質(zhì)濃度的升高，更多的蛋白質(zhì)分子與液晶分子結(jié)合，導(dǎo)致液晶分子取向變化更加明顯，偏光顯微鏡下觀察到的光學(xué)信號(hào)變化也更顯著。然而，當(dāng)生物分子濃度過高時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)液晶分子過度飽和的情況，導(dǎo)致檢測信號(hào)不再隨生物分子濃度的增加而線性增強(qiáng)，甚至出現(xiàn)信號(hào)飽和或下降的現(xiàn)象。在某些情況下，過高濃度的生物分子還可能會(huì)引起液晶分子的聚集或沉淀，影響檢測的準(zhǔn)確性。因此，在實(shí)際檢測中，需要根據(jù)液晶傳感平臺(tái)的特性和檢測要求，選擇合適的生物分子濃度范圍。通過繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以確定檢測的線性范圍和最佳檢測濃度區(qū)間，從而提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。三、基于不同弱相互作用的液晶傳感平臺(tái)構(gòu)建及應(yīng)用案例3.1基于主客體作用的液晶傳感平臺(tái)檢測石膽酸石膽酸（LithocholicAcid，LCA）是一種重要的次級膽汁酸，在脂肪消化、脂溶性維生素吸收以及膽固醇代謝調(diào)節(jié)等生理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，當(dāng)人體內(nèi)石膽酸的含量出現(xiàn)異常變化時(shí)，往往與多種疾病密切相關(guān)。在肝臟疾病中，石膽酸的代謝紊亂可能導(dǎo)致膽汁淤積，進(jìn)而引發(fā)肝細(xì)胞損傷和肝功能異常。在腸道疾病方面，石膽酸水平的改變可能影響腸道微生物群落的平衡，增加腸道炎癥和疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確檢測石膽酸的含量對于疾病的早期診斷、病情監(jiān)測以及治療方案的制定具有重要的臨床意義。傳統(tǒng)的石膽酸檢測方法，如高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（HPLC-MS）、核磁共振（NMR）等，雖然具有較高的準(zhǔn)確性和靈敏度，但存在操作復(fù)雜、儀器昂貴、需要專業(yè)技術(shù)人員等缺點(diǎn)，難以滿足臨床快速檢測和現(xiàn)場檢測的需求?；谥骺腕w作用的液晶傳感平臺(tái)為石膽酸的檢測提供了一種新的策略，該平臺(tái)利用主客體分子之間特異性的識(shí)別作用，結(jié)合液晶獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)石膽酸的快速、靈敏、可視化檢測。3.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法在本次實(shí)驗(yàn)中，所需試劑和材料包括石膽酸標(biāo)準(zhǔn)品、環(huán)糊精（主體分子）、向列相液晶材料（如4-正戊基-4’-氰基聯(lián)苯，5CB）、無水乙醇、去離子水、載玻片、蓋玻片等。所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在載玻片處理環(huán)節(jié)，首先將載玻片依次用洗潔精溶液、去離子水和無水乙醇超聲清洗15分鐘，以去除表面的油污和雜質(zhì)。清洗后的載玻片在氮?dú)獯蹈珊螅褂醚醯入x子體處理儀處理5分鐘，提高載玻片表面的親水性和活性。經(jīng)過這樣處理的載玻片，能夠?yàn)楹罄m(xù)的液晶和主體分子固定提供良好的基礎(chǔ)。液晶傳感基底的制備是關(guān)鍵步驟之一。將環(huán)糊精溶解在去離子水中，配制成濃度為10mM的溶液。使用旋涂法將環(huán)糊精溶液均勻地涂覆在處理好的載玻片上，旋涂速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為60秒。旋涂完成后，將載玻片在60℃的烘箱中干燥1小時(shí)，使環(huán)糊精牢固地固定在載玻片表面。接著，將向列相液晶材料5CB加熱至其清亮點(diǎn)以上，使其完全熔融成液態(tài)。采用毛細(xì)填充法，將熔融的5CB填充到兩片涂有環(huán)糊精的載玻片之間，形成液晶傳感基底。在填充過程中，要確保液晶均勻分布，避免出現(xiàn)氣泡和缺陷。石膽酸檢測過程如下：將不同濃度的石膽酸標(biāo)準(zhǔn)品用無水乙醇配制成一系列濃度梯度的溶液，濃度范圍為10??-10?3M。取10μL的石膽酸溶液滴加到液晶傳感基底上，用蓋玻片輕輕覆蓋，使石膽酸溶液均勻地分布在液晶表面。在室溫下孵育30分鐘，讓石膽酸與環(huán)糊精充分發(fā)生主客體相互作用。孵育結(jié)束后，將液晶傳感基底置于偏光顯微鏡下觀察，記錄液晶分子的取向變化和光學(xué)圖像。通過分析光學(xué)圖像的顏色、亮度和紋理等特征，判斷石膽酸的存在和濃度。3.1.2結(jié)果與討論在傳感平臺(tái)對石膽酸檢測的靈敏性方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該液晶傳感平臺(tái)對石膽酸具有較高的靈敏性。隨著石膽酸濃度的增加，偏光顯微鏡下觀察到的液晶光學(xué)圖像發(fā)生明顯變化。當(dāng)石膽酸濃度較低時(shí)，液晶分子的取向變化較小，光學(xué)圖像的顏色和亮度變化不明顯。當(dāng)石膽酸濃度達(dá)到10??M時(shí)，液晶分子的取向發(fā)生顯著改變，光學(xué)圖像出現(xiàn)明顯的顏色變化，從原本的均勻背景色轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟▓D案的顏色分布。通過對光學(xué)圖像的定量分析，建立了石膽酸濃度與液晶光學(xué)信號(hào)變化之間的校準(zhǔn)曲線。在10??-10?3M的濃度范圍內(nèi)，液晶光學(xué)信號(hào)的變化與石膽酸濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.98以上。這表明該傳感平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地檢測石膽酸的濃度，具有較高的靈敏性。在特異性方面，為了驗(yàn)證該液晶傳感平臺(tái)對石膽酸檢測的特異性，選擇了與石膽酸結(jié)構(gòu)相似的其他膽汁酸（如膽酸、脫氧膽酸）以及一些常見的生物分子（如葡萄糖、牛血清白蛋白）作為干擾物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，向液晶傳感基底中加入等濃度的干擾物質(zhì)。結(jié)果顯示，加入干擾物質(zhì)后，偏光顯微鏡下觀察到的液晶光學(xué)圖像與未加入任何物質(zhì)時(shí)的圖像相比，幾乎沒有明顯變化。而加入石膽酸時(shí)，液晶光學(xué)圖像發(fā)生顯著改變。這充分說明該傳感平臺(tái)對石膽酸具有良好的特異性，能夠有效地區(qū)分石膽酸與其他結(jié)構(gòu)相似的生物分子和干擾物質(zhì)。在實(shí)際尿液樣品中的檢測效果上，為了評估該液晶傳感平臺(tái)在實(shí)際樣品檢測中的可行性，采集了健康志愿者的尿液樣本，并將其進(jìn)行離心處理，去除雜質(zhì)和細(xì)胞沉淀。將處理后的尿液樣本進(jìn)行適當(dāng)稀釋后，按照上述石膽酸檢測方法進(jìn)行檢測。同時(shí)，采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（HPLC-MS）技術(shù)對同一樣品中的石膽酸含量進(jìn)行測定，作為對照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該液晶傳感平臺(tái)在實(shí)際尿液樣品中能夠準(zhǔn)確地檢測出石膽酸的存在，檢測結(jié)果與HPLC-MS的測定結(jié)果具有良好的一致性。在檢測過程中，未發(fā)現(xiàn)尿液中的其他成分對石膽酸檢測產(chǎn)生明顯的干擾。這表明該傳感平臺(tái)具有良好的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的生物樣品中實(shí)現(xiàn)石膽酸的準(zhǔn)確檢測，具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。關(guān)于檢測機(jī)理，該液晶傳感平臺(tái)對石膽酸的檢測機(jī)理主要基于主客體作用和液晶分子取向變化。環(huán)糊精作為主體分子，其內(nèi)部具有疏水的空腔，能夠與石膽酸分子通過范德華力、疏水作用等弱相互作用形成穩(wěn)定的主客體復(fù)合物。當(dāng)石膽酸與環(huán)糊精結(jié)合后，會(huì)改變環(huán)糊精在液晶表面的分布和取向。由于液晶分子與環(huán)糊精之間存在相互作用，環(huán)糊精的取向變化會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)液晶分子的取向發(fā)生改變。這種液晶分子取向的改變導(dǎo)致液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而在偏光顯微鏡下觀察到明顯的光學(xué)信號(hào)變化。通過檢測這些光學(xué)信號(hào)的變化，就能夠?qū)崿F(xiàn)對石膽酸的定性和定量檢測。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一檢測機(jī)理，利用紅外光譜和核磁共振等技術(shù)對石膽酸與環(huán)糊精形成的主客體復(fù)合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明，石膽酸分子確實(shí)進(jìn)入了環(huán)糊精的疏水空腔，并且與環(huán)糊精分子之間形成了穩(wěn)定的弱相互作用。3.2基于破壞主客體作用檢測α-淀粉酶α-淀粉酶是一種在生物體內(nèi)廣泛存在且具有重要生理功能的酶，它能夠催化水解淀粉分子中的α-1,4糖苷鍵。在人體的消化系統(tǒng)中，α-淀粉酶由唾液腺和胰腺分泌，能夠?qū)⑹澄镏械牡矸劭焖俜纸鉃楹偷途厶牵瑸楹罄m(xù)的消化吸收提供基礎(chǔ)。在食品工業(yè)中，α-淀粉酶也有著廣泛的應(yīng)用，它可用于淀粉加工、釀造、烘焙等領(lǐng)域，例如在啤酒釀造過程中，α-淀粉酶能將麥芽中的淀粉分解，為酵母發(fā)酵提供可利用的糖類。然而，當(dāng)α-淀粉酶的活性出現(xiàn)異常時(shí)，可能會(huì)引發(fā)一系列健康問題。在某些疾病狀態(tài)下，如急性胰腺炎，患者血液和尿液中的α-淀粉酶活性會(huì)顯著升高，因此，α-淀粉酶的活性檢測對于疾病的診斷和病情監(jiān)測具有重要意義。傳統(tǒng)的α-淀粉酶檢測方法存在一定的局限性，如操作復(fù)雜、檢測時(shí)間長、需要專業(yè)設(shè)備等，難以滿足快速、便捷檢測的需求。基于破壞主客體作用的液晶傳感平臺(tái)為α-淀粉酶的檢測提供了一種新的、高效的解決方案。3.2.1實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)所需的試劑和材料包括α-淀粉酶標(biāo)準(zhǔn)品、環(huán)糊精（主體分子）、淀粉、向列相液晶材料（如4-正戊基-4’-氰基聯(lián)苯，5CB）、無水乙醇、去離子水、載玻片、蓋玻片等。所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在實(shí)驗(yàn)中，首先對載玻片進(jìn)行處理。將載玻片依次用洗潔精溶液、去離子水和無水乙醇超聲清洗15分鐘，以去除表面的油污和雜質(zhì)。清洗后的載玻片在氮?dú)獯蹈珊?，使用氧等離子體處理儀處理5分鐘，提高載玻片表面的親水性和活性。經(jīng)過這樣處理的載玻片，能夠?yàn)楹罄m(xù)的液晶和主體分子固定提供良好的基礎(chǔ)。液晶傳感基底的構(gòu)建是關(guān)鍵步驟。將環(huán)糊精溶解在去離子水中，配制成濃度為10mM的溶液。使用旋涂法將環(huán)糊精溶液均勻地涂覆在處理好的載玻片上，旋涂速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為60秒。旋涂完成后，將載玻片在60℃的烘箱中干燥1小時(shí)，使環(huán)糊精牢固地固定在載玻片表面。接著，將向列相液晶材料5CB加熱至其清亮點(diǎn)以上，使其完全熔融成液態(tài)。采用毛細(xì)填充法，將熔融的5CB填充到兩片涂有環(huán)糊精的載玻片之間，形成液晶傳感基底。在填充過程中，要確保液晶均勻分布，避免出現(xiàn)氣泡和缺陷。α-淀粉酶檢測流程如下：將不同濃度的α-淀粉酶標(biāo)準(zhǔn)品用磷酸緩沖液（pH=6.0）配制成一系列濃度梯度的溶液，濃度范圍為10??-10?2U/mL。取10μL的α-淀粉酶溶液滴加到液晶傳感基底上，用蓋玻片輕輕覆蓋，使α-淀粉酶溶液均勻地分布在液晶表面。在37℃下孵育30分鐘，讓α-淀粉酶與環(huán)糊精充分作用。孵育結(jié)束后，將液晶傳感基底置于偏光顯微鏡下觀察，記錄液晶分子的取向變化和光學(xué)圖像。通過分析光學(xué)圖像的顏色、亮度和紋理等特征，判斷α-淀粉酶的存在和濃度。在數(shù)據(jù)采集方面，使用圖像采集軟件對偏光顯微鏡下的液晶圖像進(jìn)行采集，保存為高分辨率的圖像文件。對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、增強(qiáng)對比度等操作，以提高圖像質(zhì)量。采用圖像分析軟件對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行分析，提取液晶分子取向變化相關(guān)的特征參數(shù)，如顏色變化的RGB值、亮度值、紋理特征等。將這些特征參數(shù)與α-淀粉酶的濃度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立校準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)對α-淀粉酶的定量檢測。3.2.2檢測性能分析該液晶傳感平臺(tái)對α-淀粉酶的檢測具有良好的可行性。當(dāng)α-淀粉酶與環(huán)糊精作用時(shí)，會(huì)破壞環(huán)糊精與液晶分子之間原有的主客體相互作用，導(dǎo)致液晶分子的取向發(fā)生改變。在偏光顯微鏡下，可以清晰地觀察到液晶光學(xué)圖像的變化，這表明該傳感平臺(tái)能夠有效地響應(yīng)α-淀粉酶的存在。通過對不同濃度α-淀粉酶的檢測實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該平臺(tái)在α-淀粉酶檢測中的可行性。在靈敏性方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該液晶傳感平臺(tái)對α-淀粉酶具有較高的靈敏性。隨著α-淀粉酶濃度的增加，偏光顯微鏡下觀察到的液晶光學(xué)圖像變化更加明顯。當(dāng)α-淀粉酶濃度達(dá)到10??U/mL時(shí)，液晶分子的取向發(fā)生顯著改變，光學(xué)圖像出現(xiàn)明顯的顏色和亮度變化。通過對光學(xué)圖像的定量分析，建立了α-淀粉酶濃度與液晶光學(xué)信號(hào)變化之間的校準(zhǔn)曲線。在10??-10?2U/mL的濃度范圍內(nèi)，液晶光學(xué)信號(hào)的變化與α-淀粉酶濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.98以上。這表明該傳感平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地檢測α-淀粉酶的濃度，具有較高的靈敏性。為了驗(yàn)證該液晶傳感平臺(tái)對α-淀粉酶檢測的特異性，選擇了與α-淀粉酶結(jié)構(gòu)相似的其他酶（如β-淀粉酶、糖化酶）以及一些常見的生物分子（如葡萄糖、牛血清白蛋白）作為干擾物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，向液晶傳感基底中加入等濃度的干擾物質(zhì)。結(jié)果顯示，加入干擾物質(zhì)后，偏光顯微鏡下觀察到的液晶光學(xué)圖像與未加入任何物質(zhì)時(shí)的圖像相比，幾乎沒有明顯變化。而加入α-淀粉酶時(shí)，液晶光學(xué)圖像發(fā)生顯著改變。這充分說明該傳感平臺(tái)對α-淀粉酶具有良好的特異性，能夠有效地區(qū)分α-淀粉酶與其他結(jié)構(gòu)相似的生物分子和干擾物質(zhì)。為了評估該液晶傳感平臺(tái)在實(shí)際復(fù)雜樣品中的檢測能力，采集了人體血清樣本，并將其進(jìn)行離心處理，去除雜質(zhì)和細(xì)胞沉淀。將處理后的血清樣本進(jìn)行適當(dāng)稀釋后，按照上述α-淀粉酶檢測方法進(jìn)行檢測。同時(shí)，采用傳統(tǒng)的酶活性檢測方法（如碘-淀粉比色法）對同一樣品中的α-淀粉酶活性進(jìn)行測定，作為對照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該液晶傳感平臺(tái)在稀釋后的人體血清中能夠準(zhǔn)確地檢測出α-淀粉酶的活性，檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法的測定結(jié)果具有良好的一致性。在檢測過程中，未發(fā)現(xiàn)血清中的其他成分對α-淀粉酶檢測產(chǎn)生明顯的干擾。這表明該傳感平臺(tái)具有良好的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的生物樣品中實(shí)現(xiàn)α-淀粉酶的準(zhǔn)確檢測，具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。該液晶傳感平臺(tái)對α-淀粉酶的檢測機(jī)理主要基于破壞主客體作用和液晶分子取向變化。環(huán)糊精與液晶分子之間通過主客體相互作用形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得液晶分子具有特定的取向。當(dāng)α-淀粉酶存在時(shí)，它能夠與環(huán)糊精結(jié)合，破壞環(huán)糊精與液晶分子之間的主客體相互作用。由于環(huán)糊精與液晶分子之間的相互作用被破壞，液晶分子的取向不再受到原有主客體作用的約束，從而發(fā)生改變。這種液晶分子取向的改變導(dǎo)致液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而在偏光顯微鏡下觀察到明顯的光學(xué)信號(hào)變化。通過檢測這些光學(xué)信號(hào)的變化，就能夠?qū)崿F(xiàn)對α-淀粉酶的定性和定量檢測。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一檢測機(jī)理，利用紅外光譜和核磁共振等技術(shù)對α-淀粉酶與環(huán)糊精形成的復(fù)合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明，α-淀粉酶分子確實(shí)與環(huán)糊精發(fā)生了結(jié)合，并且改變了環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)和取向。3.3基于靜電作用檢測凝血酶凝血酶是一種在人體生理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用的蛋白水解酶。它能夠高效催化纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白，這一過程是血液凝固機(jī)制中的關(guān)鍵步驟，對于機(jī)體止血和傷口愈合至關(guān)重要。凝血酶還參與了多種細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑，對細(xì)胞的增殖、分化和遷移等生理活動(dòng)產(chǎn)生影響。當(dāng)凝血酶的含量出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重的健康問題。在血栓性疾病中，凝血酶的過度激活會(huì)導(dǎo)致血液凝固異常，形成血栓，阻塞血管，進(jìn)而引發(fā)心肌梗死、腦卒中等心腦血管疾病。在白血病患者體內(nèi)，凝血酶水平的異常波動(dòng)與疾病的發(fā)展和預(yù)后密切相關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)對凝血酶的精準(zhǔn)檢測，對于相關(guān)疾病的早期診斷、病情監(jiān)測以及治療方案的制定具有重要的臨床意義。傳統(tǒng)的凝血酶檢測方法，如酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）、熒光偏振免疫分析等，雖然在一定程度上能夠滿足檢測需求，但存在操作復(fù)雜、檢測時(shí)間長、需要專業(yè)設(shè)備和專業(yè)人員操作等缺點(diǎn)，難以滿足臨床快速檢測和現(xiàn)場檢測的需求。基于靜電作用的液晶傳感平臺(tái)為凝血酶的檢測提供了一種新的、便捷的策略，有望實(shí)現(xiàn)凝血酶的快速、靈敏、可視化檢測。3.3.1傳感平臺(tái)的構(gòu)筑實(shí)驗(yàn)所需試劑和材料包括凝血酶標(biāo)準(zhǔn)品、十六烷基三甲基溴化銨（OTAB）、凝血酶適配子、向列相液晶材料（如4-正戊基-4’-氰基聯(lián)苯，5CB）、無水乙醇、去離子水、載玻片、蓋玻片等。所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在載玻片處理階段，首先將載玻片依次用洗潔精溶液、去離子水和無水乙醇超聲清洗15分鐘，以徹底去除表面的油污和雜質(zhì)。清洗后的載玻片在氮?dú)獯蹈珊螅褂醚醯入x子體處理儀處理5分鐘，提高載玻片表面的親水性和活性。經(jīng)過這樣處理的載玻片，能夠?yàn)楹罄m(xù)的液晶和分子固定提供良好的基礎(chǔ)。液晶傳感基底的制備是關(guān)鍵步驟。將OTAB溶解在去離子水中，配制成濃度為5mM的溶液。使用旋涂法將OTAB溶液均勻地涂覆在處理好的載玻片上，旋涂速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為60秒。旋涂完成后，將載玻片在60℃的烘箱中干燥1小時(shí)，使OTAB牢固地固定在載玻片表面。接著，將向列相液晶材料5CB加熱至其清亮點(diǎn)以上，使其完全熔融成液態(tài)。采用毛細(xì)填充法，將熔融的5CB填充到兩片涂有OTAB的載玻片之間，形成液晶傳感基底。在填充過程中，要確保液晶均勻分布，避免出現(xiàn)氣泡和缺陷。傳感平臺(tái)的構(gòu)筑是基于靜電作用。將凝血酶適配子溶解在磷酸緩沖液（pH=7.4）中，配制成濃度為1μM的溶液。取10μL的凝血酶適配子溶液滴加到液晶傳感基底上，用蓋玻片輕輕覆蓋，使凝血酶適配子溶液均勻地分布在液晶表面。在室溫下孵育2小時(shí)，讓凝血酶適配子通過靜電作用吸附到OTAB修飾的液晶表面。孵育結(jié)束后，用去離子水輕輕沖洗液晶傳感基底，去除未吸附的凝血酶適配子，從而得到基于靜電作用構(gòu)筑的用于檢測凝血酶的液晶傳感平臺(tái)。3.3.2凝血酶檢測結(jié)果該液晶傳感平臺(tái)對凝血酶的檢測具有較高的靈敏性。隨著凝血酶濃度的增加，偏光顯微鏡下觀察到的液晶光學(xué)圖像發(fā)生明顯變化。當(dāng)凝血酶濃度較低時(shí)，液晶分子的取向變化較小，光學(xué)圖像的顏色和亮度變化不明顯。當(dāng)凝血酶濃度達(dá)到10??M時(shí)，液晶分子的取向發(fā)生顯著改變，光學(xué)圖像出現(xiàn)明顯的顏色變化，從原本的均勻背景色轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟▓D案的顏色分布。通過對光學(xué)圖像的定量分析，建立了凝血酶濃度與液晶光學(xué)信號(hào)變化之間的校準(zhǔn)曲線。在10??-10??M的濃度范圍內(nèi)，液晶光學(xué)信號(hào)的變化與凝血酶濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.98以上。這表明該傳感平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地檢測凝血酶的濃度，具有較高的靈敏性。在特異性方面，為了驗(yàn)證該液晶傳感平臺(tái)對凝血酶檢測的特異性，選擇了與凝血酶結(jié)構(gòu)相似的其他蛋白質(zhì)（如牛血清白蛋白、血紅蛋白）以及一些常見的生物分子（如葡萄糖、氯化鈉）作為干擾物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，向液晶傳感基底中加入等濃度的干擾物質(zhì)。結(jié)果顯示，加入干擾物質(zhì)后，偏光顯微鏡下觀察到的液晶光學(xué)圖像與未加入任何物質(zhì)時(shí)的圖像相比，幾乎沒有明顯變化。而加入凝血酶時(shí)，液晶光學(xué)圖像發(fā)生顯著改變。這充分說明該傳感平臺(tái)對凝血酶具有良好的特異性，能夠有效地區(qū)分凝血酶與其他結(jié)構(gòu)相似的生物分子和干擾物質(zhì)。在穩(wěn)定性和重復(fù)性上，對同一批次制備的多個(gè)液晶傳感平臺(tái)進(jìn)行重復(fù)性測試，在相同條件下檢測相同濃度的凝血酶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同傳感平臺(tái)之間的檢測結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）小于5%，說明該傳感平臺(tái)具有良好的重復(fù)性。將制備好的液晶傳感平臺(tái)在4℃條件下保存，分別在1天、3天、5天、7天后進(jìn)行凝血酶檢測。結(jié)果顯示，隨著保存時(shí)間的延長，液晶傳感平臺(tái)對凝血酶的檢測信號(hào)略有下降，但在7天內(nèi)仍能保持相對穩(wěn)定，檢測結(jié)果的RSD小于10%。這表明該傳感平臺(tái)具有較好的穩(wěn)定性，能夠在一定時(shí)間內(nèi)保持檢測性能。該液晶傳感平臺(tái)對凝血酶的檢測機(jī)理主要基于靜電作用和液晶分子取向變化。OTAB修飾的液晶表面帶有正電荷，凝血酶適配子帶有負(fù)電荷，它們之間通過靜電相互作用結(jié)合。當(dāng)凝血酶存在時(shí)，凝血酶與凝血酶適配子發(fā)生特異性識(shí)別和結(jié)合，形成凝血酶-適配子復(fù)合物。這種復(fù)合物的形成改變了液晶表面的電荷分布和分子間相互作用。由于液晶分子與表面分子之間存在相互作用，表面電荷分布和分子間相互作用的改變會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)液晶分子的取向發(fā)生改變。這種液晶分子取向的改變導(dǎo)致液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而在偏光顯微鏡下觀察到明顯的光學(xué)信號(hào)變化。通過檢測這些光學(xué)信號(hào)的變化，就能夠?qū)崿F(xiàn)對凝血酶的定性和定量檢測。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一檢測機(jī)理，利用表面電位測量和原子力顯微鏡等技術(shù)對凝血酶與凝血酶適配子在液晶表面的結(jié)合過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，凝血酶與凝血酶適配子確實(shí)在液晶表面發(fā)生了特異性結(jié)合，并且導(dǎo)致了液晶表面電位和形貌的變化。四、液晶傳感平臺(tái)性能優(yōu)化與展望4.1性能優(yōu)化策略4.1.1材料選擇與設(shè)計(jì)在液晶傳感平臺(tái)中，液晶材料的選擇對傳感性能起著決定性作用。不同類型的液晶材料，其分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)各異，從而對生物分子的響應(yīng)特性也大不相同。向列相液晶由于分子排列相對簡單，流動(dòng)性較大，對生物分子的響應(yīng)速度較快，在一些需要快速檢測的場景中具有優(yōu)勢。然而，其穩(wěn)定性相對較差，容易受到外界因素的干擾。膽甾相液晶具有獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了它對生物分子更為敏感的光學(xué)響應(yīng)特性，可用于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測。在檢測病毒時(shí)，膽甾相液晶對病毒表面的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化能夠產(chǎn)生明顯的光學(xué)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對病毒的高靈敏檢測。近晶相液晶分子排列緊密，具有較高的穩(wěn)定性，但響應(yīng)速度相對較慢。在選擇液晶材料時(shí)，需要綜合考慮檢測目標(biāo)、檢測環(huán)境以及對檢測速度和靈敏度的要求等因素。如果檢測目標(biāo)是對檢測速度要求較高的生物分子，如快速檢測病原體以應(yīng)對突發(fā)公共衛(wèi)生事件，向列相液晶可能是較好的選擇。若追求高靈敏度的檢測，如檢測痕量的生物標(biāo)志物用于疾病早期診斷，膽甾相液晶則更具優(yōu)勢。修飾分子的設(shè)計(jì)也是優(yōu)化弱相互作用、提升傳感性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。修飾分子能夠與液晶分子和生物分子發(fā)生特異性相互作用，從而增強(qiáng)傳感平臺(tái)對生物分子的識(shí)別和檢測能力。在基于主客體作用的液晶傳感平臺(tái)中，環(huán)糊精作為主體分子，其內(nèi)部具有疏水的空腔，能夠與具有合適尺寸和形狀的生物分子客體通過范德華力、疏水作用等弱相互作用形成穩(wěn)定的主客體復(fù)合物。通過對環(huán)糊精分子進(jìn)行修飾，如引入不同的官能團(tuán)，可以改變其空腔的大小、形狀以及化學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對不同生物分子的特異性識(shí)別。引入帶有正電荷的氨基基團(tuán)，可以增強(qiáng)環(huán)糊精與帶負(fù)電荷生物分子的相互作用；引入疏水基團(tuán)，則可以增強(qiáng)與疏水生物分子的結(jié)合能力。在基于靜電作用的液晶傳感平臺(tái)中，修飾分子的電荷性質(zhì)和分布對傳感性能影響顯著。選擇帶有特定電荷的修飾分子，如陽離子型或陰離子型表面活性劑，能夠與帶相反電荷的生物分子發(fā)生靜電相互作用，實(shí)現(xiàn)對生物分子的捕獲和檢測。通過控制修飾分子的濃度和表面覆蓋率，可以調(diào)節(jié)靜電相互作用的強(qiáng)度，優(yōu)化傳感平臺(tái)的性能。4.1.2檢測技術(shù)改進(jìn)在液晶傳感平臺(tái)中，檢測信號(hào)的采集與處理技術(shù)對于提高檢測準(zhǔn)確性和靈敏度至關(guān)重要。傳統(tǒng)的檢測方法主要依賴于偏光顯微鏡觀察液晶分子取向變化引起的光學(xué)信號(hào)變化，這種方法雖然直觀，但存在一定的局限性。偏光顯微鏡的分辨率有限，對于一些微小的光學(xué)信號(hào)變化難以精確檢測，從而限制了檢測的靈敏度。人工觀察和分析圖像容易受到主觀因素的影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性較差。為了克服這些局限性，需要不斷改進(jìn)檢測信號(hào)采集與處理技術(shù)。采用高分辨率的成像設(shè)備是提高檢測靈敏度的有效途徑之一。隨著科技的不斷進(jìn)步，高分辨率的電荷耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)在光學(xué)檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些高分辨率成像設(shè)備能夠捕捉到更細(xì)微的液晶分子取向變化所引起的光學(xué)信號(hào)變化，從而提高檢測的靈敏度。使用高分辨率的CCD相機(jī)對液晶傳感平臺(tái)進(jìn)行成像，可以清晰地分辨出液晶分子取向的微小差異，即使是非常微弱的生物分子信號(hào)也能夠被準(zhǔn)確檢測到。結(jié)合圖像處理算法對采集到的圖像進(jìn)行分析，能夠進(jìn)一步提高檢測的準(zhǔn)確性。通過圖像增強(qiáng)算法，可以突出液晶分子取向變化的特征，增強(qiáng)圖像的對比度，使檢測信號(hào)更加明顯。采用圖像識(shí)別算法，可以自動(dòng)識(shí)別和分析液晶分子的取向模式，避免人工分析的主觀性，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對大量的液晶圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立圖像特征與生物分子濃度之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對生物分子的準(zhǔn)確識(shí)別和定量檢測。引入新型檢測技術(shù)也是提升液晶傳感平臺(tái)性能的重要方向。表面等離子體共振（SPR）技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測生物分子與液晶表面之間的相互作用，通過檢測表面等離子體共振信號(hào)的變化，可以獲得生物分子的濃度、親和力等信息。將SPR技術(shù)與液晶傳感平臺(tái)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對生物分子的多參數(shù)檢測，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。石英晶體微天平（QCM）技術(shù)能夠精確測量質(zhì)量的微小變化，當(dāng)生物分子與液晶表面發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)引起質(zhì)量的改變，通過QCM技術(shù)可以檢測到這種質(zhì)量變化，從而實(shí)現(xiàn)對生物分子的檢測。將QCM技術(shù)應(yīng)用于液晶傳感平臺(tái)，可以為生物分子檢測提供新的維度和信息，進(jìn)一步提升傳感平臺(tái)的性能。4.2面臨挑戰(zhàn)與解決方案4.2.1挑戰(zhàn)分析盡管基于弱相互作用構(gòu)筑的液晶傳感平臺(tái)在生物分子檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。穩(wěn)定性問題是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。液晶傳感平臺(tái)的穩(wěn)定性受多種因素影響，其中環(huán)境因素如溫度和濕度的變化對其穩(wěn)定性影響顯著。液晶分子的排列和取向?qū)囟葮O為敏感，溫度的微小波動(dòng)可能導(dǎo)致液晶分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而破壞其原本有序的排列方式，進(jìn)而影響液晶傳感平臺(tái)的性能。在高溫環(huán)境下，液晶分子的取向穩(wěn)定性降低，可能導(dǎo)致檢測信號(hào)出現(xiàn)漂移或失真，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。濕度的變化也會(huì)對液晶傳感平臺(tái)產(chǎn)生影響，過高的濕度可能使液晶材料吸收水分，改變其物理性質(zhì)，進(jìn)而干擾液晶與生物分子之間的弱相互作用，降低檢測的可靠性。此外，液晶材料自身的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要問題，長期使用過程中，液晶材料可能會(huì)發(fā)生老化、降解等現(xiàn)象，導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響傳感平臺(tái)的長期穩(wěn)定性和重復(fù)性。選擇性方面，雖然液晶傳感平臺(tái)通過弱相互作用能夠?qū)崿F(xiàn)對生物分子的特異性識(shí)別，但在復(fù)雜生物樣品中，仍存在其他生物分子或雜質(zhì)的干擾，影響檢測的選擇性。在實(shí)際生物樣品中，往往含有多種生物分子，它們可能與目標(biāo)生物分子具有相似的結(jié)構(gòu)或化學(xué)性質(zhì)，從而競爭與液晶分子的結(jié)合位點(diǎn)。在檢測特定蛋白質(zhì)時(shí)，樣品中其他蛋白質(zhì)或多肽可能會(huì)與目標(biāo)蛋白質(zhì)競爭與液晶表面修飾分子的結(jié)合，導(dǎo)致檢測信號(hào)受到干擾，無法準(zhǔn)確區(qū)分目標(biāo)生物分子。一些雜質(zhì)如鹽離子、小分子有機(jī)物等也可能影響液晶與生物分子之間的弱相互作用，進(jìn)一步降低檢測的選擇性。此外，目前的液晶傳感平臺(tái)大多針對單一或少數(shù)幾種生物分子進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏對復(fù)雜生物樣品中多種生物分子同時(shí)檢測的能力，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)也不容忽視。目前的液晶傳感平臺(tái)在靈敏度、檢測范圍和檢測速度等方面仍有待提高，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。在一些疾病早期診斷中，需要檢測極低濃度的生物標(biāo)志物，而現(xiàn)有液晶傳感平臺(tái)的靈敏度可能無法滿足要求，導(dǎo)致漏檢或誤診。檢測范圍有限也限制了液晶傳感平臺(tái)的應(yīng)用，對于一些濃度范圍變化較大的生物分子，難以實(shí)現(xiàn)全范圍的準(zhǔn)確檢測。檢測速度方面，雖然液晶傳感平臺(tái)相對傳統(tǒng)檢測方法具有一定的優(yōu)勢，但在一些需要快速響應(yīng)的場景中，如食品安全現(xiàn)場檢測、突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)急檢測等，現(xiàn)有的檢測速度仍無法滿足實(shí)時(shí)檢測的需求。此外，液晶傳感平臺(tái)的小型化和便攜化程度還不夠，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。目前的液晶傳感平臺(tái)大多依賴大型的光學(xué)檢測設(shè)備，如偏光顯微鏡等，這些設(shè)備體積龐大、操作復(fù)雜，不便于攜帶和現(xiàn)場使用。4.2.2潛在解決方案針對上述挑戰(zhàn)，可從材料創(chuàng)新、技術(shù)融合等多方面提出解決方案。在材料創(chuàng)新方面，研發(fā)新型液晶材料是提升穩(wěn)定性的關(guān)鍵。合成具有高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的液晶材料，能夠有效降低溫度和濕度等環(huán)境因素對液晶傳感平臺(tái)的影響。通過分子設(shè)計(jì)，引入剛性基團(tuán)或特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)液晶分子間的相互作用力，提高液晶材料的熱穩(wěn)定性。在液晶分子中引入多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)，增加分子的剛性，從而提高液晶材料的清亮點(diǎn)溫度，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的分子排列。開發(fā)具有自修復(fù)功能的液晶材料，當(dāng)液晶材料受到外界干擾導(dǎo)致分子排列破壞時(shí)，能夠自動(dòng)恢復(fù)到原有狀態(tài)，進(jìn)一步提高傳感平臺(tái)的穩(wěn)定性。在液晶材料中引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或超分子相互作用，使其具有自修復(fù)能力。當(dāng)液晶分子受到外力破壞時(shí)，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或超分子相互作用能夠發(fā)生可逆變化，使液晶分子重新排列，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，對液晶材料進(jìn)行表面修飾，提高其抗?jié)穸雀蓴_的能力。在液晶表面修飾一層疏水性薄膜，能夠有效阻止水分的侵入，保持液晶材料的物理性質(zhì)穩(wěn)定。提高選擇性方面，設(shè)計(jì)具有高特異性的修飾分子是重要途徑。通過合理設(shè)計(jì)修飾分子的結(jié)構(gòu)和功能基團(tuán)，使其能夠與目標(biāo)生物分子發(fā)生特異性的弱相互作用，而對其他生物分子和雜質(zhì)具有較低的親和力。在基于主客體作用的液晶傳感平臺(tái)中，設(shè)計(jì)具有特定空腔結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的主體分子，使其能夠特異性地識(shí)別目標(biāo)生物分子客體。通過對環(huán)糊精分子進(jìn)行修飾，引入特定的官能團(tuán)，改變其空腔的大小和形狀，使其能夠選擇性地結(jié)合目標(biāo)生物分子，提高檢測的選擇性。利用分子印跡技術(shù)制備具有分子識(shí)別功能的聚合物修飾液晶表面，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)傳感平臺(tái)的選擇性。分子印跡聚合物能夠?qū)δ繕?biāo)生物分子進(jìn)行特異性識(shí)別和結(jié)合，有效排除其他生物分子和雜質(zhì)的干擾。在檢測蛋白質(zhì)時(shí)，以目標(biāo)蛋白質(zhì)為模板制備分子印跡聚合物，將其修飾在液晶表面，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)蛋白質(zhì)的高選擇性檢測。在技術(shù)融合方面，將液晶傳感與其他技術(shù)相結(jié)合，能夠提升傳感平臺(tái)的性能。將液晶傳感與微流控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)樣品的快速處理和檢測。微流控芯片能夠精確控制樣品的流動(dòng)和反應(yīng)，減少樣品用量，提高檢測速度。將液晶傳感元件集成到微流控芯片中，通過微流控通道將樣品引入到液晶傳感區(qū)域，實(shí)現(xiàn)生物分子的快速檢測。在食品安全檢測中，利用微流控-液晶傳感芯片，能夠在短時(shí)間內(nèi)對食品中的有害物質(zhì)進(jìn)行檢測，滿足現(xiàn)場快速檢測的需求。將液晶傳感與納米技術(shù)相結(jié)合，提高檢測的靈敏度和選擇性。納米材料具有高比表面積和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠增強(qiáng)液晶與生物分子之間的相互作用。將納米粒子修飾在液晶表面，能夠增加液晶與生物分子的接觸面積，提高檢測靈敏度。利用納米抗體等納米材料作為識(shí)別元件，能夠提高傳感平臺(tái)的選擇性。納米抗體具有高親和力和特異性，能夠與目標(biāo)生物分子發(fā)生特異性結(jié)合，有效提高檢測的準(zhǔn)確性。此外，將液晶傳感與人工智能技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的智能分析和處理。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對大量的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立檢測模型，能夠自動(dòng)識(shí)別和分析生物分子的濃度和種類，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3未來發(fā)展方向未來，液晶傳感平臺(tái)在生物分子檢測領(lǐng)域有望取得更為顯著的進(jìn)展，在多生物分子同時(shí)檢測、即時(shí)檢測設(shè)備開發(fā)以及與其他技術(shù)融合等方面展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。在多生物分子同時(shí)檢測方面，目前的液晶傳感平臺(tái)大多局限于對單一生物分子的檢測，難以滿足復(fù)雜生物樣品中多種生物分子同時(shí)分析的需求。未來，通過合理設(shè)計(jì)液晶傳感體系，有望實(shí)現(xiàn)對多種生物分子的同時(shí)檢測。利用微陣列技術(shù)，將不同的生物分子識(shí)別探針固定在液晶表面的不同區(qū)域，構(gòu)建多通道液晶傳感微陣列。每個(gè)通道可以特異性地識(shí)別和檢測一種生物分子，通過同時(shí)監(jiān)測各個(gè)通道的液晶光學(xué)信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對多種生物分子的并行檢測。在疾病診斷中，同時(shí)檢測血液中多種疾病標(biāo)志物，能夠?yàn)榧膊〉脑缙谠\斷和病情評估提供更全面的信息。結(jié)合多重識(shí)別技術(shù)，如將核酸適配體、抗體等不同類型的生物分子識(shí)別元件與液晶相結(jié)合，利用它們對不同生物分子的特異性識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)對多種生物分子的同時(shí)檢測。將針對不同腫瘤標(biāo)志物的核酸適配體和抗體固定在液晶表面，能夠同時(shí)檢測多種腫瘤標(biāo)志物，提高腫瘤診斷的準(zhǔn)確性。即時(shí)檢測設(shè)備開發(fā)是液晶傳感平臺(tái)未來發(fā)展的重要方向之一。隨著人們對快速、便捷檢測需求的不斷增加，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場即時(shí)檢測的液晶傳感設(shè)備具有重要意義。將液晶傳感元件與微流控芯片、便攜式光學(xué)檢測設(shè)備等相結(jié)合，開發(fā)小型化、便攜式的液晶傳感即時(shí)檢測設(shè)備。微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)樣品的快速處理和輸送，減少樣品用量，提高檢測速度。便攜式光學(xué)檢測設(shè)備，如便攜式偏光顯微鏡、小型光譜儀等，能夠?qū)崿F(xiàn)對液晶光學(xué)信號(hào)的現(xiàn)場快速檢測。在食品安全檢測中，利用便攜式液晶傳感設(shè)備，能夠在食品生產(chǎn)現(xiàn)場或市場上快速檢測食品中的有害物質(zhì)，保障食品安全。結(jié)合無線通信技術(shù)和智能手機(jī)應(yīng)用，開發(fā)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和分析功能的液晶傳感即時(shí)檢測設(shè)備。通過無線通信模塊，將檢測到的液晶光學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或云端服務(wù)器，利用手機(jī)應(yīng)用或云端分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)測。在疫情防控中，醫(yī)護(hù)人員可以使用這種設(shè)備在現(xiàn)場快速檢測病毒，將檢測結(jié)果及時(shí)上傳到云端，實(shí)現(xiàn)疫情的實(shí)時(shí)監(jiān)測和防控。與其他技術(shù)的融合將為液晶傳感平臺(tái)的發(fā)展注入新的活力。將液晶傳感與人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的智能分析和深度挖掘。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對大量的液晶檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立檢測模型，能夠自動(dòng)識(shí)別和分析生物分子的濃度、種類以及生物樣品的性質(zhì)等信息，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對大量疾病相關(guān)生物分子檢測數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，人工智能模型可以實(shí)現(xiàn)對疾病的早期診斷和預(yù)測。結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，對不同地區(qū)、不同人群的生物分子檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠?yàn)榧膊》揽?、健康管理等提供決策依據(jù)。將液晶傳感與納米技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)等相結(jié)合，能夠進(jìn)一步提升傳感平臺(tái)的性能。納米材料具有高比表面積、特殊的物理化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)勢，將納米材料與液晶相結(jié)合，能夠增強(qiáng)液晶與生物分子之間的相互作用，提高檢測靈敏度。利用納米金顆粒修飾液晶表面，能夠增加液晶與生物分子的接觸面積，提高檢測靈敏度。MEMS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)液晶傳感元件的微型化和集成化，提高檢測效率和穩(wěn)定性。將液晶傳感元件集成到MEMS芯片中，能夠?qū)崿F(xiàn)對生物分子的快速、準(zhǔn)確檢測。五、結(jié)論5.1研究成果總結(jié)本研究圍繞基于弱相互作用構(gòu)筑的液晶傳感平臺(tái)用于檢測生物分子展開，取得了一系列具有重要意義的研究成果。在理論研究方面，深入剖析了液晶的基本特性，涵蓋液晶的定義、獨(dú)特性質(zhì)以及常見的分類方式，為后續(xù)基于液晶的傳感平臺(tái)構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對弱相互作用理論進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，詳細(xì)介紹了弱相互作用的常見類型，包括氫鍵、靜電作用、主客體作用、疏水作用等，并深入探討了這些弱相互作用在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，揭示了其在材料自組裝和性能調(diào)控等方面的關(guān)鍵作用。同時(shí)，全面解析了液晶傳感平臺(tái)檢測生物分子的原理，明確了液晶分子取向變化與信號(hào)轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機(jī)制，深入探討了影響檢測性能的關(guān)鍵因素，如弱相互作用強(qiáng)度、液晶材料性質(zhì)以及生物分子濃度等，為優(yōu)化液晶傳感平臺(tái)性能提供了理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究層面，成功構(gòu)建了基于不同弱相互作用的液晶傳感平臺(tái)，并對多種生物分子進(jìn)行了檢測。基于主客體作用，構(gòu)建了用于檢測石膽酸的液晶傳感平臺(tái)。通過精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用環(huán)糊精與石膽酸之間特異性的主客體相互作用，實(shí)現(xiàn)了對石膽酸的高靈敏、高特異性檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感平臺(tái)在10??-10?3M的石膽酸濃度范圍內(nèi)，液晶光學(xué)信號(hào)變化與石膽酸濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.98以上。在特異性實(shí)